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关键词： 有限元基础   教学改革   本科教学   工程应用  

摘要： 有限元法是工科本科生解决工程实践问题的重要方法,也是未来工程设计中不可或缺的一种重要方法。由于传统的教学方式不能很好地适用于工程应用驱动下《有限元基础》课程的开展,该文对该课程在教学体系、教学方式和教学评估的改革进行探讨,以提升教学效果,为促进学生的工程实践能力和创新探索能力,为应用高级型人才的培养提供全新思路。

关键词： 有限元   涵闸   沉降量   稳定性  

摘要： 依据某穿堤涵闸工程资料分析,利用有限元软件,建立数值模型,分析了涵闸各部分结构沉降量,获得了自排涵与压力涵沉降变形云图,并对比了分层总和法与有限元法计算结果,两者沉降量趋势均呈“V”型,但采用割线模量计算结果更接近有限元法,两者沉降差值最大不超过1cm。研究了沉降量对涵闸结构影响,当垂直土压力系数取值超过1.5时,纵向裂缝宽度为0.552mm,涵管受力为368.5kPa,无法满足安全设计要求,为穿堤涵闸沉降量计算分析提供一定的参考依据。

关键词： 接地特性   仿真计算   柔性面状电极   防雷接地   杆塔基础  

摘要： 为了探究输电线路杆塔基础接地特性,应用有限元软件COMSOL对影响单基式杆塔基础接地特性的外敷接地体分段数和混凝土电阻率,以及影响多基式基础接地特性的外敷方式和浇注桩间距进行仿真计算,研究5种接地型式对接地电阻和地面电位分布的影响。仿真计算结果表明:对于单基式基础,外敷接地体分段数、混凝土电阻率对接地电阻影响不大,但外敷接地体分段数对分流系数有影响;对于多基式基础,整体外敷均压效果较好,浇注桩间距越大,接地电阻越小,地面电位分布越均匀;5种接地型式中,根开外围方框配合外敷柔性面状电极的经济性、降阻、均压的效果均为最优。该研究可为实际输电线路杆塔基础接地施工和结构优化提供一定的参考。

关键词： 主轴箱   有限元分析   结构优化   响应面   轻量化   可靠性  

摘要： 随着深孔加工技术的发展,深孔加工机床向着高精度、高效率、智能化的方向发展。作为深孔机床的关键部件,主轴箱自身质量以及它在工作时的静动态性能会对深孔机床的加工性能产生重要的影响。传统的深孔机床基础件在结构设计时多采用经验设计或类比设计,导致主轴箱结构质量冗余、体积粗大笨重而且带来一定的加工难度,从而影响到机床的动静态性能、工艺性能及加工性能。针对以上问题,本文以ZWKA2108深孔机床主轴箱为研究对象,通过建立三维模型,对主轴箱进行有限元静动态分析,在此基础上通过参数相关性分析得到对主轴箱质量影响较大的参数,通过响应面优化得到优化后主轴箱的结构尺寸及静动态性能。最后对优化后的主轴箱进行可靠性分析,定性定量的验证优化后主轴箱结构是否合理,为后续机床关键结构件的研究提供一定参考依据。研究内容包括:(1)基于Solidworks和ANSYS Workbench对主轴箱进行有限元静力学分析以及模态分析。在Solidworks中建立主轴箱的三维实体模型并参数化,将其导入ANSYS Workbench中对其进行有限元静动态分析,得到主轴箱的应力云图和变形云图,并提取主轴箱的前六阶固有频率以及振型图。通过对结果分析表明:主轴箱的原始设计在刚度和强度均存在较大的冗余,有进一步优化设计的空间。(2)基于响应面法对主轴箱进行结构优化设计。利用ANSYS Workbench软件中的优化设计模块,建立以主轴箱质量和一阶固有频率为优化目标,以主轴箱最大应力、最大变形以及首阶固有频率为约束条件,以主轴箱的关键几何尺寸作为设计变量。通过参数相关性分析选择对优化目标影响较大的尺寸参数,建立优化目标函数的响应面模型,基于响应面模型选择多目标遗传算法对其进行计算。结果表明:主轴箱在满足工作性能的前提下,获得较为理想的结构尺寸,优化后主轴箱质量减轻了6.431%,达到了结构轻量化的优化目的。(3)基于随机有限元法对主轴箱进行可靠性分析。在主轴箱结构优化的基础上,利用ANSYS Workbench中的6σ可靠性模块对优化后的主轴箱进行定量的可靠性分析,通过定义主轴箱结构失效的极限状态函数,将材料属性、几何尺寸、外载荷的大小考虑成是随机变量并且符合正态分布,采用Monte Carlo法进行计算,分别对优化后主轴箱的静强度、静刚度和动刚度进行可靠性分析。结果表明:优化后主轴箱的静强度、静刚度和动刚度可靠性均满足要求,定量的验证了主轴箱优化设计的合理性。

关键词： 鱼雷锚基础   耦合欧拉—拉格朗日方法   随机有限元分析   贯入深度   承载力  

摘要： 随着国内外经济快速的发展,对石油和天然气资源的需求不断增大。日渐枯竭的陆地资源已经无法满足当前的消耗,从而迫使海上石油和天然气的开采逐步由浅水区域向深水区域发展。鱼雷锚作为深海锚泊系统里最具前景和发展潜力的深海锚基础,其安装克服了传统锚泊基础依赖水深的缺点,仅靠自重完成不需借助任何外力,且具有成本经济、制作过程简单、安装高效且经济、锚泊性能优良等优点,被广泛应用在深海工程领域。目前,在鱼雷锚的贯入安装阶段,有关鱼雷锚基础失效机理和贯入深度的研究大多局限于均质土体中,但海床受多种不确定因素的影响具有明显的空间变异性和自相关性。在传统的确定性岩土工程分析中,往往因为忽视了土体性质的不确定性,从而导致鱼雷锚基础的预估深度出现较大的偏差。本文在蒙特卡洛模拟的框架下,将大变形有限元方法与随机场理论相结合,采用耦合欧拉—拉格朗日有限元计算方法对鱼雷锚基础的动态贯入过程进行了模拟。虽然在海岸作业中所安装的鱼雷锚具往往具有不垂直的特点,但其倾斜度对锚具拉拔能力的影响在研究文献中似乎很少受到关注。本文对倾斜埋入式鱼雷锚在垂直和水平联合载荷作用下的抗拔承载力和破坏包络线进行了数值研究。采用欧拉-拉格朗日耦合有限单元法,对拉拔角、拉拔面方位角和锚倾角的影响进行了定量分析。结果表明,最危险的拉拔面与斜方向上重合。其相应的失效包络线可以用一个封闭的形式表达式很好地拟合,给出了锚拉拔能力的保守估计。综合参数研究表明,这种保守破坏包络主要受锚杆倾角和土体强度梯度的影响。给出了一系列适合于不同强度和倾角条件的具有拟合常数的表。在此基础上,提出了一种简单的斜埋入式鱼雷锚具极限拉拔能力的计算方法。本文的研究成果对工程技术人员在鱼雷锚具设计实践中考虑锚具倾角具有一定的参考价值

关键词： 大体积混凝土   跳仓法   温度应力   参数化分析  

摘要： 近年来,随着经济的快速发展,城市化建设的快速步伐,近年来越来越多的高层、超高层建筑、综合体大规模建筑以及地下空间等大规模工程涌现,混凝土结构对于大型工程仍然占主导,进而必然涉及大体积混凝土工程。大型公共建筑的建设势必会带来大体积混凝土施工过程中温度裂缝控制的问题,关于混凝土温控方面出现了许多解决措施方法,跳仓法施工技术也作为一种控制大体积混凝土温控的方法,跳仓法施工技术具有独特的温控优势,然而,由于跳仓法大体积混凝土的温度应力场分布比较复杂,影响因素众多,因此在实际工程中很难准确得到其解析解。但随着计算机科学和数值计算方法的飞速发展,目前已经有很多计算方法成为应用于大体积混凝土温度应力的计算机仿真技术,本文在混凝土温度场理论的基础上,基于有限元仿真对大体积混凝土的温度应力进行模拟分析,其主要研究工作如下:（1）本文基于混凝土热传导理论,采用有限元MIDAS/FEA热分析模块对其一次浇筑、分层浇筑及跳仓浇筑下的施工过程分别进行仿真模拟,分析混凝土温度场一般性规律;（2）通过跳仓仓格长度影响因素分析,一般情况下混凝土综合温差、混凝土极限拉伸是影响跳仓仓格长度的主要因素,且当综合温差控制在25℃左右,跳仓仓格长度一般可达到50m左右。但在特殊情况下,从跳仓法仓格长度计算理论角度分析,理论上认为仓格长度没有固定统一值,其值取决于影响混凝土仓格长度的综合因素;（3）通过尺寸效应对混凝土底板水化热的分析得出:一般情况下,大体积混凝土的平面尺寸和混凝土总体积方量对混凝土内部温度场和应力场的影响甚微即大体积混凝土在材料参数和边界条件完全相同的情况下,大体积混凝土内部温度值和应力值仅与厚度尺寸密切相关,厚度尺寸越大,其内部温度峰值和应力峰值也越大;（4）大体积混凝土裂缝的原因复杂多样,在准确把握混凝土裂缝形成原因的前提下,有针对性,科学合理的研究和制定裂缝温控技术措施将事半功倍。简言之,在实际工程中选择合理的跳仓法设计方案、结合有限元数值模拟进行定性分析,在一定程度上可以预控混凝土裂缝产生,对实际工程具有一定参考价值。

ISBN: (纸本)9787111651192

关键词： 桩靴基础   大变形随机有限元分析   变异系数与相关长度   承载力   安全系数  

摘要： 自升式钻井平台作为一种海上可移动式钻井设备,可用于海上石油和天然气的勘探和开采,其中,作为自升式钻井平台的重要组成部分的桩腿,底部附有一个巨大的倒圆锥型的基础,即为“桩靴”,作用是减少桩腿在粘土内的贯入距离,承担海底对平台的支撑力,便于在海床中定位或增大基础与地基之间的滑动摩擦力,桩靴基础有效直径通常10-20 m,埋入海床土体的深度为2-3倍的桩靴直径,以获得足够的承载能力来保证作业过程中的安全性。迄今为止,有不少学者对均质土体以及非均质土体进行了大量的研究,但海洋岩土由于复杂的形成过程,呈现出空间变异的性质,其失效机理和承载力与均质土体以及非均质土体有很大的区别,尽管已经有学者基于小变形有限元分析探究单层粘土地基土体对桩靴基础的承载力与失效机理的影响,但小变形有限元方法难以模拟桩靴基础的连续贯入过程中土体的回流情况,因此本文结合耦合欧拉-拉格朗日的大变形随机有限元数值模拟和蒙特卡洛方法,研究粘土地基和砂覆粘土地基考虑粘性土体空间变异性时,桩靴基础的失效机理和承载力的变化。对于单层粘土地基,不排水抗剪强度变异系数与相关长度发生变化时,随机场呈现出明显的不同,进而导致桩靴基础失效机理差异和承载力的波动情况,因此激发抗剪强度系数对数概率密度的分布存在明显的差异,但根据失效概率计算出的激发抗剪强度系数特征值却具有一定的平稳性,在本研究中激发抗剪强度系数特征值的平稳性并未受到不排水抗剪强度变异系数与相关长度影响,因此,在工程应用中可采用该值进行设计以满足目标可靠度的要求,保证工程的经济安全性具有一定的实践意义。对于砂覆粘土地基,上部砂层土体强度较高,底部粘性土体强度降低,在贯入过程桩靴基础在砂层中达到峰值承载力后,易产生穿刺破坏,在考虑粘土层的空间变异性时,峰值深度基本不变,该深度处的下层粘土强度变异性对砂土内部的破坏机理影响不大,但下垫层粘土被不同程度地扰动,并在砂楔块下提供不同的阻力,对桩靴基础临界深度处的承载力影响较大,因此本文根据临界承载力的对数概率密度函数,结合失效概率和可靠度综合评估峰值承载力的可靠度水平。

关键词： 条形浅基础   极限承载力   有限元法   二阶锥规划   非关联塑性   增量加载法  

摘要： 地基极限承载力分析是土力学研究中的一个经典课题。基于Hellinger-Reissner混合变分原理和有限元方法,将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划(second-order cone programming,SOCP)问题,进而提出一种基于二阶锥规划理论的增量有限元法,即FEM-SOCP法。将岩土体弹塑性问题构造成二阶锥规划的数学优化问题,可以避免采用传统弹塑性计算中复杂的应力点积分等算法和屈服面棱角的平滑处理。此外,对于二阶锥规划问题,可以采用具有原始-对偶内点求解法的标准数学规划求解器MOSEK进行求解。将增量加载FEM-SOCP法应用于经典的基底粗糙的条形浅基础地基极限承载力分析中,分别考虑了关联和非关联塑性条件下的Mohr-Coulomb屈服准则。数值结果表明:所提出的增量加载FEM-SOCP法获得的地基承载力系数及地基承载力与传统FEM计算结果基本一致,而与常规有限元计算结果相比,基于增量加载的FEM-SOCP法所获得的屈服区更加平滑。

关键词： 比例边界有限元   有限元   应力奇异性   无限域  

摘要： 目的研究比例边界有限元(Scaled Boundary Finite Element Method,SBFEM)的理论基础、应用特点及研究进展。方法通过坐标变化、公式推导等阐述其理论基础。结果与结论在处理应力奇异性和无限域的问题上,SBFEM相比较于传统的有限元方法具有很强的优势,是一种具有学术价值和应用前景的新型数值算法。